2.5.2. Характеристики газовой компоненты грунта

Газоносностью называется общее количество свободных и адсорбированных газов, содержащихся в единице массы или объема грунта в природных условиях. В соответствии с этим выделяют два показателя [50]: объемную и массовую газоносность.

Газосодержание грунта Г, % характеризует относительный объем газа, со­держащийся в порах грунта. Оно численно равно отношению объема газа за­нимаемого в порах грунта к объему всего грунта:

где V_г – объем газа, занимаемый в порах грунта; V_tot – объем грунта. Величина Г измеряется в %, зависит от влажности и меняется от нуля (при отсутствии газов и полном водонасыщении) до величины, соответствующей пористости данного грунта (при полном заполнении пор воздухом).

Массовая газоносность Г_m, см³/г, характеризует общее содержание свободных адсорбированных газов в единице массы грунта (т) и численно равна объему газа, содержащемуся в 1 г грунта при данных условиях (давлении):

Для оценки степени заполнения пор газом используют коэффициент воздухосодержания или аэрации G_г, который равен отношению объема газа в порах (V_г) к общему объему пор (V_п) грунта:

Если в порах кроме воздуха содержится и вода, то коэффициент аэрации рассчитывают через степень влажности грунта по формуле: G_г=1 – S_r. Измеряется G_г в долях единицы и меняется в пределах от 0 (при отсутствии газа в порах) до 1 (при полном насыщении пор газом) [50].

2.6. Биотическая компонента грунтов

2.6.1. Распространение, состав биоты грунтов

Научно-техническое сопровождение проектирования, строительства, и реконструкции сооружений различного назначения должно включать в себя анализ специфики существующих загрязнений биотой подземного пространства, наличие или возможность микро- и макробиологического поражения грунтов, влияние этих процессов на изменение несущей способности песчано-глинистых пород, определяющей устойчивость и безопасность функционирования исследуемых объектов.

Биота (микробиота) – вся совокупность организмов (микроорганизмов), совместно населяющая материал (среду) независимо от функциональных связей между ними. К биотической составляющей грунтов относятся различные организмы, для которых грунты служат временной или постоянной средой обитания. Область существования живых организмов в пределах литосферы называется литобиосферой, которая является частью биосферы. Верхняя граница литобиосферы – это дневная поверхность земли, а нижняя определяется глубиной проникновения жизни в горные породы. Бактерии, окисляющие углеводороды и образующие горючие газы (СН₄, Н₂, H₂S), прослеживались в разрезе Северного Устюрта до глубины 1100 м, а в водах Северного Кавказа – ниже 2000 м. Микроорганизмы могут существовать в грунтах при самых разнообразных условиях: одни – при температуре минус 7°, другие – в кипящих источниках [50].

Размеры почвенных животных также варьируют широко. По размеру особей представителей почвенной фауны делят на группы (по Башелье, 1963) [60]:

• микрофауна – менее 0,2 мм – простейшие, нематоды, ризоподы, эхинококки, обитающие во влажной среде внутри агрегатов;

• мезофауна – от 0,2 до 4 мм – микроартроподы, мельчайшие насекомые, некоторые мириаподы и черви, обитающие во внутриагрегатных и межагрегатных влажных порах; макрофауна – от 4 до 80 мм – земляные черви, моллюски, мириаподы, насекомые (муравьи, термиты и др.);

• мегафауна – животные размером более 80 мм – крупные насекомые, крабы, скорпионы, кроты, змеи, черепахи, мелкие и крупные грызуны, лисы, барсуки и другие животные, роющие в почвах норы.

В грунтоведении биоту условно делят на микроорганизмы и микроорганизмы.

К макроорганизмам, существующим в грунтах, относится различные (главным образом высшие) растения, грибы и многоклеточные животные. Все животные, обнаруживаемые в почвах, делятся на три группы:

• геобионты – постоянные обитатели почв (дождевые черви, многоножки, ногохвостки);

• геофилы – живущие в почве лишь на протяжении части жизненного цикла (личинки хрущей и щелкунов);

геоксены – временно укрывающиеся в почве (вредная черепашка, некоторые насекомые).

По типам питания почвенные животные делятся на следующие группы:

• фитофаги – питаются тканями корней живых растений (личинки майского хруща подгрызают корни сосны, свекловичная нематода внедряется в корни сахарной свеклы и др.);

• зоофаги – питаются другими животными (все насекомоядные животные; нематоды, поедающие простейших и коловраток; хищные клещи, питающиеся нематодами, ногохвостками, энхитреидами);

• некрофаги – используют в пищу трупы животных (муравьи-бегунки в пустынях Средней Азии поедают остатки насекомых);

• сапрофаги – перерабатывают мертвые остатки растений, опад (черви, многоножки, мокрицы, некоторые клещи и личинки насекомых).

В большинстве случаев представители названных групп сосредоточены в гумусовых горизонтах почв, причем, чем больше гумуса, тем разнообразнее и обильнее фауна.

Животные играют большую роль в перераспределении не только растительных остатков, но и минеральных солей. По данным И.П. Бабьевой и Г.М. Зеновой (1983), суслик выносит до 1,5 т/га почвы, а его нора проникает до глубины 2 м; пустынные мокрицы поселяются колониями до 800 тыс. особей на 1 га и в течение лета выносят на поверхность 0,5 т/га почвы и 1 т экскрементов, тем самым увеличивая пористость почв [50].

Микроорганизмы составляют наиболее примитивные и древнейшие живые существа на Земле. К микроорганизмам относятся доядерные организмы (прокариоты) и ядерные организмы (эукариоты). В грунтах выделяются следующие группы микроорганизмов: грибы, водоросли, актиномицеты, микобактерии, бактерии, риккетсии и вирусы. Несколько групп почвенных микроорганизмов выделяются при полевых исследованиях без помощи микроскопа. К ним относятся плесневые грибы, белый мицелий которых хорошо различается в лесной подстилке или в гумусовом горизонте; микоризные грибы на корнях некоторых деревьев; клубеньковые бактерии на корнях бобовых и на корнях черной ольхи, а также водоросли, дающие либо сплошную черную в сухом состоянии и зеленеющую при увлажнении корку на поверхности и по трещинам некоторых почв в засушливых областях. Каждый тип почв, каждый генетический горизонт имеет специфический состав микрофлоры и особую плотность микробных популяций. В среднем в 1 г почвы содержится 108–109 особей бактерий, 103–106 клеток низших грибов и актиномицетов, 103–104 клеток низших водорослей, 102–103 клеток простейших.

Все микроорганизмы делятся на гетеротрофные и автотрофные. Развитие автотрофных микроорганизмов происходит за счет световой энергии или энергии окисления ряда неорганических соединений (водорода, серы, аммиака, железа и др.). Гетеротрофные микроорганизмы используют для своей жизнедеятельности различные органические ве­щества, их отдельные представители очень разнообразные по своим свойствам, могут развиваться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Многие гетеротрофные микроорганизмы, обитающие в грун­тах, способны развиваться в очень бедных питательными элементами растворах (концентрация органических веществ в растворе быть не более 5 мг/л); это – олиготрофные микроорганизмы, обычно располагающиеся на поверхности минеральных частиц и полу­чающие питание из омывающих их растворов.

Хорошо известно значение микроорганизмов в поддержании на определенном уровне в грунтах содержания различных форм (твердых, газообразных, органических и неорганических, легко- и трудно растворимых) биофильных элементов (N, C, H, P, O, S) за счет взаимосвязанных циклических превращений. Процессы азотфиксации, нитрификации, денитрификации в цикле азота; синтез и минерализация сложных полимерных соединений углерода; образование и поглощение водорода; растворение и концентрирование соединений фосфора; связывание и выделение кислорода; окисление сульфидов, тиосульфата, элементарной серы и сульфатредукция в цикле серы – все эти процессы осуществляются микроорганизмами либо при их участии. Имеется достаточно данных о микробиологической трансформации ещё 75 элементов [50].